弗兰克赫兹实验(2008428修改)

弗兰克赫兹实验（2008.4.28 修改） 1913 年丹麦物理学家玻尔（N Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。 该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量 Em）向低能态（能量 En）跃迁时才辐射。辐射能量满足 E = EmEn （1） 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914 年德国物理学家弗兰克（JFranck）和赫兹（G Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定 了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原 子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克赫兹实验的结 果为玻尔理论提供了直接证据。 玻尔因其原子模型理论获 1922 年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于 1925 年获此奖。 夫兰克赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。 一、实验目的 1、测量氩原子的第一激发电位； 2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。 二、实验仪器 DH4507 智能型弗兰克-赫兹实验仪，BY4320G 示波器 三、实验原理 夫兰克一赫兹实验原理(如图 1 所示) ，阴极 K，板极 A，G 1 、G 2 分别为第一、第二栅极。 K-G1-G2 加正向电压，为电子提供能量。 的作用主要1GU 是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G 2-A 加反向电压，形成拒斥电场。 电子从 K 发出，在 K-G2 区间获得能量，在 G2-A 区间损失能量。如果电子进入 G2-A 区域时动 能大于或等于 e ，就能到达板极形成板极电流 I.2GAU 电子在不同区间的情况： 1. K-G1 区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G1-G2 区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发 图 1 弗兰克-赫兹实验原理图 电子 氩原子 K G2 G1 A I UG2K UG1K UG2A 微电流仪 灯丝电压 2 态与基态的能级差 EE 2E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能 量达到 E，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。 E 称为临界 能量。 3. G2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于 eU G2A 则不能达到 板极。 由此可见，若 eUG2KnE 则电子在进入 G2-A 区域之前可能 n 次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流 I 随 加速电压 变化曲线就形成 n 个峰值，如图 2 所示。相邻峰值之间的电压差 U 称为氩原子的第2 一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 E= eU （2） 四、实验内容 测量原子的第一激发电位。通过 曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一2GK:UI 激发电位。 五、实验操作步骤 1将面板上的四对插座（灯丝电压， ：第二栅压， ：第一栅压， ：拒斥电压）按2GK1GKU2GA 面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。微电流检测器已在内部连好。将 仪器的“信号输出”与示波器的“CH1 输入（X） ”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外接输 入”相连。 注意：各对插线应一一对号入座，切不可插错！否则会损坏电子管或仪器。 2打开仪器电源和示波器电源。 3 “自动/手动”挡开机时位于 “手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 图 2 弗兰克-赫兹实验 I 曲线2GK a b c I (nA) 2GK(V)U O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 3 4电流档为 109A、10 A、10 A 和 10 A。开机时位于“10 9A”本实验保持此档不变。 5按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压 、拒斥电压 、电流量程 I 预置1GKU2G 相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“”键或“”键，更改预置值，若按下“” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6电子管的加载。同时按下“set” 键和“” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压 等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此 灯才常亮。 7四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。 8按下“自动/手动”键，此时 “自动 ”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9在自动测量状态下，第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置， 并记录相应的第二栅压值。 10自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待 5 分钟后进行手动测量。 11改变第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，要求每改变 1V 记录相应 I 和 .2GKU 值，注意：在示波器所观察的曲线峰值位置附近每 0.2V 记录相应 IA 和 值，不少于 10 个点。2 12实验完毕后，同时按下“set ”键 +“ ”键， “加载 ”指示灯熄灭，使四组电压卸载。 13关闭仪器电源和示波器电源。 六、数据处理要求 1.作出 曲线，确定出 I 极大时所对应的电压 .2GK:UI 2GKU 2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。 (3